GPS_RTK测量方式及其原理

GPS_RTK测量方式及其原理

GPS作为一项现代空间定位技术已被广泛应用在越来越多的行业领域，取代的是传统和常规的光学或电子测量仪器。而从20世纪80年代以后，GPS卫星导航定位技术实现了与现代通信技术完美地结合，可以说是现代空间定位技术走出了具有革命意义的突破，从而更进一步拓展了GPS空间定位技术的应用范围与作用。以GPS-RTK测量为例，主要分析GPS-RTK的测量方式及其原理，对于指导实际工作有一定的意义。

1、GPS-RTK测量的工作原理

全球卫星定位系统（GlobalPositioning System，简称“GPS”）是美国在20世纪70年代就开始研制，并主要希望用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，经历20年和耗资200多亿美元，分为三个阶段研发，于1994年底全面完成初建并被陆续投入使用。全球卫星定位系统是基于空间无线电波传输的卫星导航定位系统，其系统具有全能性、全球性、全天候、连续性和即时性的精密三维导航及空间定位功能，同时拥有良好地抗干扰性和信息保密性。因此，全球卫星空间定位技术被率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量和海洋测量和城市测量等测绘领域普及应用，同时逐步外延至军事、交通、通信、资源和管理等领域展开了大力研究并拓展应用。全球卫星空间定位技术的定位功能是依仗测量中的距离交会定点工作原理予以实现。如果假设在待测点Q处设置一部GPS接收机，而在某一时刻tk同时可以接收到三颗（或三颗以上）卫星S1、S2、S3所发送的电波信号。然后通过后期数据处理与计算，可以求解得到该时刻该GPS接收机天线中心（测站点）至空间卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3。根据空间卫星星历可以查询到该时刻三颗卫星的空间三维坐标（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，从而由公式求解得出Q点的空间三维坐标（X，Y，Z），完成初步测量，最后由修正得到结果。GPS -RTK 测量技术是以载波相位观测量作为基础的实时差分GPS定位测量技术，它能够实时获得待测站点在指定空间坐标系中的三维坐标，精确度可以达到厘米级。GPS-RTK测量系统主要由一个基准参考站点、多个97DOI:10.16503/ki.2095-9931.2013.09.030交通标准化交通信息Traffic Informatization 流动站点和数据通讯系统三个部分组成。在GPS-RTK的作业模式中，基准参考站点可以通过数据链将其观测值和待测站点的坐标信息一同传送至流动站接收机中。流动站点接收机不仅仅可以通过数据链接收来自于基准参考站点的数据，同时还需采集GPS系统的观测数据，并在系统内部组成差分观测值，然后进行实时地处理与计算，最终给出厘米级的定位数据结果，一般用时不超过1s。流动站点接收机可处于静止状态，也可处于运动状态，完成周模糊度的搜索求解任务。在未知数解固定之后即可进行每个历元的实时处理工作，只要能够保持四颗以上卫星的相位观测值跟踪以及必要的几何图形，同时保证良好的空间测量环境，这样一来流动站接收机就可以随时给出厘米级的定位数据结果。GPS-RTK技术的应用关键在于对空间卫星的数据传输和处理技术。

目前，GPS-RTK数据处理是在卫星运动中快速求解整周模糊度的算法OTF已能在1min 之内实现整周模糊度快速准确求解，能够较好地解决GPS信号失锁状态下快速重新初始化。而数据传输则要求RTK定位时基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9 600的波特率，这在无线电上不难实现。

2、GPS的系统构成

GPS 主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在六个轨道的平面内，轨道平面

的倾角呈55°，卫星的平均高度为20200km，运行周期为11h58min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻、在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应星的存储器中。GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机控制中心）等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，同时完成对信号的交换、放大和处理过程，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。

3、GPS-RTK测量的特点

相对于传统测量手段来分析，GPS动态测量技术主要具有以下几个突出优势：

a）GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1×10－6，在大于1 000km的基线上可达1×10－8；

b）GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便；

c）在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅20min左右，动态相对定位仅需几秒钟；d）GPS接收机自动化程度越来越趋于操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录；

e）提供信号接收与发送的卫星数目多且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响；

f）GPS 测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求；g）GPS 系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时，测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。

4、GPS-RT的测量方式

4.1 作业方式

4.1.1 基准站设置

基站可设在已知点或非已知点上，连接完毕后用PSION采集器进行参数设置，进入碎部量取得单点定位坐标，再进入菜单的基站设置功能上进行坐标输入、设制RTK工作模式、发射间隔、设成基站工作方式即可，设置成功时主机和电台上的Tx/Rx灯应该闪烁。

4.1.2 求转换参数

GPS系统采用世界大地坐标系统WGS-84，工程建筑一般采用地方坐标系统或工程坐标系统，为能将GPS所测坐标直接在PISON采集器或电脑上显示为地方坐标或工程坐标必须进行坐标转换。求取坐标转换参数的办法是：启动基准站，用流动站到测区另外的两个或两个以上的已知点上进行碎部测量取得单点定位坐标（参考坐标），然后进入PSION 采集器的求转换参数功能，按提示输入各点参考坐标和已知坐标进行自动求取。

4.1.3 施工测量

GPS实时定位测量控制采用双GPS定位法，即在定位工作船上安装两台流动GPS接收机，两GPS接收机连线最好是与船舷平行或重直，在海上测量定位软件中输入定位工作船的船型尺寸，GPS接收机在工作船中的位置，设置主、副工作点，这样在计算机屏幕上能实时动态显示工作船的位置和方向。如某工程现场水深较深，施工现场涌浪大，地形条